ATIKTAN ENERJİYE Yakma, Piroliz ve Gazlaştırma Uygulamaları 5. Uluslararası Geri Dönüşüm, Çevre Teknolojileri ve Atık Yönetimi Fuarı 18 – 21 Haziran 2009 Prof.Dr. Hasancan OKUTAN İTÜ Kimya-Metalurji Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü Ayazağa/İstanbul okutan@itu.edu.tr

Atık Yönetimi Avrupa Birliği (AB) Yaklaşımı AB müktesabatının başlıca konularından biri ÇEVRE konusudur. AB düzeyinde yaklaşık 300 tüzük ve direktif Bütünleşik bir “Atık Yönetim Politikası” Atık Yönetim Hiyerarşisi: Atık minimizasyonu ve kaynakta önleme Atıkların yeniden kullanımı, geri dönüşü ve enerji geri kazanımı Atıkların nihai bertarafı

Avrupa Birliği Atık Mevzuatı Atık Çevre Direktifi (WD) 2006/12/EC Atık Listesi (EWL) 2000/532/EC Atık Yakma Direkfi (WID) 2000/76/EC Tehlikeli Atık Direktifi (HWD) 91/689/EC Bütünleşik Kirlilik Önleme ve Kontrol Direktifi (IPPC) 96/61/EC Atık Yakma BREF Dokümanı (IPPC-BAT) 2006

Ulusal Atık Mevzuatı Atık Yönetimi Genel Esaslarına İlişkin Yönetmelik (05.07.2008 – R.G. 26927) Katı Atıkların Kontrolü Yönetmeliği (14.03.1991 – RG 20814) Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmeliği (14.03.2005 – RG 25755) Tıbbi Atıkların Kontrolü Yönetmeliği (22.07.2005 – RG 25883) Ambalaj Atıklarının Kontrolü Yönetmeliği (24.06.2007 – RG 26562) Atık Yağların Kontrolü Yönetmeliği (30.07.2008 – RG 26952)

Ulusal Atık Mevzuatı Atık Pil ve Akümülatörlerin Kontrolü Yönetmeliği (31.08.2004 – RG 25569) Bitkisel Atık Yağların Kontrolü Yönetmeliği (19.04.2005 – RG 2579) Ömrünü Tamamlamış Lastiklerin Kontrolü Yönetmeliği Hafriyat Toprağı, İnşaat ve Yıkıntı Atıklarının Kontrolü Yönetmeliği Atıkların Ek Yakıt Olarak Kullanılmasında Uyulacak Genel Kurallar Hakkında Tebliği

KÜRESEL İKLİM DEĞİŞİKLİĞİ KÜRESEL ISINMA 1997 Birleşmiş Milletler – Kyoto Protokolü AB üye devletlerin 2008-2012 yılları arasında sera gazları emisyonu %8 oranında azaltılması kararlaştırılmıştır. Enerji kullanımının iklim değişikliği üzerindeki etkisini azaltmak için programlar oluşturulmuştur. Enerji verimliliği Yenilenebilir enerjiler (güneş, rüzgar, biyokütle) Temiz enerji teknolojileri Atıkların değerlendirilmesi (geri dönüşüm ve enerji)

AVRUPA BİRLİĞİ 6. ve 7. ÇERÇEVE PROGRAMLARI “Atıklan Değerlendirilmesi ve Enerji Elde Edilmesi” öncelikli konular arasında kabul edilmiştir.

VİZYON 2023 Enerji ve Çevre Teknolojileri Stratejisi Hidrojen Teknolojileri ve Yakıt Pilleri Yenilenebilir Enerji Tekolojileri Enerji Depolama Teknolojileri ve Güç Elektroniği Nükleer Enerji Teknolojileri Çevreye Duyarlı ve Verimli Yakıt ve Yakma Teknolojileri Akışkan Yatak Teknolojisi Gazlaştırma Teknolojisi Biyokütleden Tarımsal ve Endüstriyel Atıklardan Enerji Eldesi Kojenerasyon Teknolojisi Atık Değerlendirme Teknolojileri

Küresel Enerji Talebi Yeni Elektrik Talebi – 5000 GW Her Üç Günde Yeni Bir 1000 MW Santral Veya Yılda 2650 km2 Yeni Güneş Pilleri 9 milyar Kişiye Temiz Su Karbon Emisyonu 7 GTC/yıl dan 26 GTC/yıl a Çıkacak

ATIKLAR Evsel Katı Atıklar Kanalizasyon Çamurları Biyokütle Endüstriyel Atıklar Tehlikeli Atıklar Tıbbi Atıklar Atık Pil ve Akümülatörler Elektronik Atıklar

Türkiye İmalat Sanayi Atık Envanteri İmalat sanayi tarafından yılda 20 milyon ton atık üretilmektedir. Yaklaşık 1,2 milyon ton tehlikeli atık. Geri kazanım: % 8 Bertaraf: % 47 Yeniden kullanım: % 45

Mevcut Bertaraf Tesisleri İZAYDAŞ (Yakma) 35.000 ton/yıl PETKİM (Yakma) 17.500 ton/yıl TÜPRAŞ (Yakma) 7.750 ton/yıl EKOLOJİK ENERJİ (Gazlaştırma) 29.000 ton/yıl ÇİMENTO FABRİKALARI (Döner Fırın) 450.000 ton/yıl İZAYDAŞ (Depolama) 790.000 m3 (% 20 dolu) ERDEMİR (Depolama) 6.000 ton/yıl İSKEN (Depolama) 115.000 m3

T.C. Çevre ve Orman Bakanlığı Endüstriyel Atıklar için Bertaraf Planı Atık toplama sistemi Nihai bertarafa yönelik tesisler Trakya, Doğu Marmara, Ege, İç Anadolu ve Akdeniz Bölgelerinde en az 1 adet entegre tesis kurulması Endüstrileşmenin daha az olduğu bölgelerde fiziksel/kimyasal ön işlemlerin bulunduğu ara depolama tesisleri kurulması

Planlanan Endüstriyel Atık Entegre Bertaraf Tesisler Tarsus-Mersin: Yakma, Düzenli Depolama, Önişlem Gebze OSB: Yakma Kula-Manisa: Yakma, Düzenli Depolama Çatalca-İstanbul: Yakma, Düzenli Depolama, Önişlem Sincan-Ankara: Gazlaştırma

Atık Bertaraf Teknikleri Gömme (Deponil Alanı) Yakma (Incineration) Gazlaştırma (Gasification) Piroliz (Pyrolysis)

Termal İşlemler Yakma: Oksijen Fazlalığı Gazlaştırma: Oksijen Eksikliği Piroliz: Oksijen Yokluğu (Havasız Ortam)

YAKMA Combustion (Katı, sıvı, gaz yakıtların yakılması) Incineration (Atıkların yakılması, bertarafı) 3 T Prensibi: Temperature (Sıcaklık) Turbulence (Karışım) Time (Zaman) Stokiyometrik Oksijen Gereksinimi Hava Fazlalık Katsayısı

Yanma Reaksiyonları CHONS + O2 → CO2 (Tam Yanma) H2O (Tam Yanma) NOx (Tam Yanma) SO2 (Tam Yanma) PM CO (Kısmi Yanma) HC (Kısmi Yanma) PAH (Kısmi Yanma) Halojenli Bileşikler + O2 → HCl, HF Dioksin, Furan

Atık Yakma Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmeliği (2005) Atıkların Ek Yakıt Olarak Kullanılmasında Uyulacak Genel Kurallar Hakkında Tebliğ (2005) Atıkların Yakılmasına İlişkin Yönetmelik (Taslak) Yönetmelik Şartları Yanma odasına bağlı son yanma bölümü İlk bölme sıcaklığı en az 900 0C Son yanma bölümü ek brülör %1’den fazla halojenli bileşik olma durumunda sıcaklık 1100 0C ve en az iki saniye kalma süresi Emisyon sınırları Emisyonların sürekli ölçümü ve izlenmesi

Yakma Teknolojileri Katı Atıklar: Sabit Yatak – Izgaralı Sistemler Akışkan Yatak – Dolanımlı Sürüklemeli/Püskürtmeli Sıvı Atıklar: Brülör ve Bek Sistemleri Gaz Atıklar: Brülör ve Bek Sistemleri

Yanma Gazlarının Temizlenmesi (Gaz Arıtım Teknolojileri) Toz (PM) Kükürtlü Bileşikler (SO2) Azot Oksitler (NOx) Asidik Gazlar (HCl, HF, HCN) Ağır Metaller Hidrokarbonlar PAH, Dioksin, Furan

Yanma Gazlarının Temizlenmesi (Gaz Arıtım Teknolojileri) Torbalı Filtreler Siklon Ayırıcılar Venturi Yıkayıcılar Islak Yıkayıcılar (Gaz Absorpsiyon Kolonları) Elektrostatik Çöktürücüler (CSP, WESP) SNCR ve SCR (NOx Giderici) Katalitik Yakıcılar

İZAYDAŞ Tesis Akım Şeması

www.envirotherm.de

Çimento Fabrikalarında Atık Yakılması

Gazlaştırma Karbon içeren malzemelerin ana bileşenleri CO, H2 ve CH4 olacak şekilde sentez gazına dönüştürülmesi prosesi

Gazlaştırma Prosesi Kademeleri Kurutma Uçucuların çıkışı Gazlaştırma Yanma Kül

Temel Reaksiyonlar Su gazı tepkimesi C+H2O → CO + H2 Boudouard tepkimesi C+CO2 → 2 CO Hidrojenle gazlaştırma C+2H2 → CH4 Kısmi yanma C+1/2 O2 → CO Tam Yanma C+O2 → CO2 CO + H2O → H2 + CO2 Metanlaştırma CO + 3 H2 → CH4 + H2O Isıl bozunma tepkimeleri C1HxOy → (1-y) C +yCO + x/2H2 C1HxOy → (1-y-x/8)C +yCO + x/4 H2 + x/2H2

Dünya’ daki Uygulamalar İşletme Sayısı : 117 Gazlaştırıcı Sayısı : 385 Toplam Güç : ~ 45.000 MWth %49 Kömür %36 Pet-Kok %15 Biyokütle ve Atıklar Ürünler Elektrik %27 Kimyasallar %37 Yakıt (sıvı, gaz) %36

Gazlaştırma Teknolojisinin 4 Temel İşlemi Ön Hazırlık – Besleme Sentetik Gaz Üretmek – Gazlaştırma Gaz Temizleme Enerji veya Kimyasal Madde Üretmek

Gazlaştırma Teknolojileri 1) Sürüklemeli Yatak (Entrained Bed) Küçük Taneli (0,2 mm) 2) Akışkan Yatak (Fluidized Bed) Orta Büyüklükte Taneli (0,2 – 3 mm) 3) Sabit Yatak (Fixed Bed) Daha İri Taneli (5 – 50 mm) 3.1. Aşağı Akışlı (Downdraft) 3.2. Yukarı Akışlı (Updraft) 4) Plazma Gazlaştırma

Updraft Gasifier Downdraft Gasifier

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Gasification, C. Higman, M. van der Burgt, 2007, GPP

Westinghouse Plasma Gasification Reactor

GAZ TEMİZLEME Katran ve Partiküllerin giderilmesi Kükürtlü bileşiklerin giderilmesi (H2S) Asit gazlarının giderilmesi Ağır metallerin giderilmesi Torbalı filtreler Siklon ayırıcılar Islak yıkayıcılar Elektrostatik Çöktürücüler

Examples of tar-related fouling of process equipment

Tar classification system

The tar dewpoint of the different tar classes in relation to the concentration

Gazlaştırma ile Ne Yapılır? Elektrik Üretimi IGCC – Yüksek verim Doğalgaz yanmasına paralel emisyonlar Sıvı Yakıt Üretimi SASOL : Güney Afrika’ da 1950’ den beri Sentetik Doğal Gaz Üretimi Dakota Gasification Company : A.B.D. 1980’ den beri Kimyasalların Üretimi Eastman Chemicals : A.B.D. 1980’ den beri Amonyak ve Gübre Kütahya Azot Sanayi 6. Hidrojen Üretimi - Yakıt Pilleri

Elektrik Üretimi: IGCC

PİROLİZ Karbonlu malzemenin oksijensiz ortamda ısıtılarak gaz, sıvı ve katı ürünlere ayrılması işlemidir. Karbonlu malzemenin ısıl parçalanmasıdır. Karbonizasyon Düşük Sıcaklık Karbonizasyonu: 600 0C Orta Sıcaklık Karbonizasyonu: 900 0C Yüksek Sıcaklık Karbonizasyonu: 900 0C’den yüksek Sıvı ve katran çıkışı 300 0C’den başlar 550 – 600 0C’y kadar devam eder. Gaz çıkışı 900 – 1000 0C’ye kadar devam eder.

PİROLİZ Gaz Ürün: Karbonlu malzemenin yapısındaki bağların kırılması ile oluşur. % 2 – 30 (Kuru temel) CO, CO2, H2, CH4, C2H6, C3H8, H2S, NH3 Sıvı Ürün: Katran veya pirolitik yağlar (% 2 – 35 Kuru temel) Hafif Yağlar: k.n. 220 0C’den düşük (benzen, toluen, ksilen) Orta Yağlar: k.n. 220-375 0C (fenoller, kresoller, pridin, anilin) Yüksek Yağlar: k.n. 375-450 0C (3-4 halkalı aromatikler, heterosiklik) Katı Ürün: Karbonca zengin “char” ismi verilen katılar

Pirolize Etkileyen Değişkenler Karbon malzemenin özellikleri Proses Parametreleri Sıcaklık Isıtma hızı Gaz ortamın özellikleri İnert gaz (N2) Reaktif gaz (H2O, H2) Basınç Reaktör Geometrisi Reaktörde Kalma Süresi

Piroliz Teknolojisi Retortlama (Kesikli Reaktörler) Sürekli Reaktörler

50 ton/gün kapasiteli atık piroliz proses akım şeması

Karbonlu Malzemenin Özelliklerinin Termal İşlemlere Etkileri Nem Kül Sabit Karbon ve Elementel Analiz Uçucu Madde Isıl Değer Kül Ergime Sıcaklığı Tane Büyüklüğü Yığın Yoğunluğu Kekleşme Özelliği

Termal İşlemlerin Karşılaştırılması/Değerlendirilmesi Her üç teknolojiye de (Yakma, Gazlaştırma ve Piroliz) ihtiyacımız var. Gazlaştırma ve Piroliz öne çıkan teknolojiler olmakla birlikte, Gazlaştırma ve Piroliz işlemleri sonucunda elde edilen “SynGaz”dan ısı ve elektrik enerjisi üretimi için “Yakma Teknolojilerine” gereksinim var.

Termal İşlemlerin Karşılaştırılması/Değerlendirilmesi 3) Yakma ve Gazlaştırma Teknolojilerinin Karşılaştırılması Gazlaştırma’nın üstünlükleri: a. Üretilen SynGaz çok amaçlı kullanılabilmektedir. b. Endüstriyel ölçek H2 üretiminde en ekonomik yöntem: Yakıt Pilleri c. Emisyonlar: - NOx oluşumu yok veya düşük - SO2 yerine H2S oluşur. H2S giderimi daha kolaydır. d. IGCC Teknolojisi en gelişmiş Santral Teknolojisidir. En yüksek verim. e. CO2 tutunması daha ucuz.

Environmental Performance Comparison - Pulverized Coal vs. IGCC Estimated emissions are based on current industry assumptions regarding a conventional pulverized coal plant with pollution control equipment and a generic IGCC plant.(Sulfur will vary with coal properties.)

Potential to Capture CO2 Economically in the Future

Termal İşlemlerin Karşılaştırılması/Değerlendirilmesi 4) Gazlaştırma-Piroliz Karşılaştırması a. Yapışkan, kolay kekleşebilen ve kül ergime sıcaklıkları düşük atıklar için piroliz işlemi gazlaştımaya tercih edilebilir. b. Piroliz işleminde reaktöre mutlaka dışarıdan enerji girdisine (ek bir yakıt yakılmasına) gereksinim vardır.

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi 1 ton/saat kapasiteli Aşağı Akışlı (Down-Draft) Gazlaştırma Reaktörünün tasarımı ve imalatı (2003) “Yenilenebilir Biyokütlelerin ve Katı Atıkların Gazlaştırılması, Gaz Temizleme ve Sürdürülebilir Enerji Üretimi” Projesi TÜBİTAK-TİDEB Proje No: 3040025 (2004-2005) Evsel Katı Atık ve Biyokütle Gazlaştırma Birinci Hattı Kurulumu ve Devreye Alınması EPDK Elektrik Enerjisi Üretim Lisansının Alınması (2006)

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi Endüstriyel ve Tehlikeli Atıkların Gazlaştırılarak Bertaraf Edilmesi Projesi - T.C. Çevre ve Orman Bak. Lisans Başvurusu - 300 ton endüstriyel atık ile ön çalışmalar, biriket formülasyonu - Deneme Gazlaştırmaları - İşletme lisansını alınması (Temmuz, 2007)

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi Gaz temizleme ünitelerinin iyileştirilmesi: 1250 Nm3/saat temizlenmiş gaz üretimi Atık Ön Hazırlık: Biriketleme Ünitesi kapasite artırımı (7 yeni biriketleme makinesi, her biri 8 ton/gün üretim kapasiteli) 2. Gazlaştırma Reaktörü ve Gaz Temizleme Ünitesinin tasarımı, imalatı ve devreye alınması: 2500 Nm3/saat temizlenmiş gaz üretimi

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi Geçici Atık Depolama sahalarının tamamlanması Kimyasal/Biyolojik Arıtma Çamurları Kurutma ünitesinin devreye alınması 2. TPA Atık Kırma Ünitesi Kimyasal Arıtma Ünitesinin kurulması ve devreye alınması

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi Endüstriyel ve Tehlikeli Sıvı Atıkların Susuzlaştırılarak Gazlaştırma Prosesine Kazandırılması Projesi: TÜBİTAK-TEYDEB Proje No: 7090004 (Ekim 2008 – Mart 2009)

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi Sentez Gazının Proses Isısı Olarak Değerlendirildiği Yakma Üniteleri Tasarımı ve İmalatları Projesi: - Kimyasal/Biyolojik Arıtma Çamurları Kurutma: Yeni Yakma Kamarası tasarımı ve imalatı - Evaporasyon ve Seperasyon Ünitesi Kızgın Yağ Kazanı Yakma Kamarası tasarımı ve imalatı - Buhar Kazanı Yakma Kamarası tasarımı imalatı - Refrakterli, Isı Geri Kazanımlı (Sıcak su ve mahal ısıtma) Yeni Flare tasarım ve imalatı

EKOLOJİK ENERJİ Entegre Atık Yönetimi ve Temiz Enerji Üretim Tesisi Temizlenmiş düşük ısıl değerlikli sentez gazından Jenbacher Gaz Motorunda 400-500 kW/saat elektrik üretimi. Entegre Tesisin ihtiyacı olan 350 Nm3/saat debilik doğal gaz yerine tesiste üretilen sentez gazının kullanımı.

ATIK DAĞILIMLARI – 2008 (SINIFLARA GÖRE)

ATIK DAĞILIMLARI – 2008 (SEKTÖREL)

Temizlenmiş Sentez Gazı Özellikleri % 15 – 20 Karbon Monoksit % 15 – 20 Hidrojen % 1 – 3 Metan + Etan % 1 (max.) Oksijen % 8 – 10 Karbon Dioksit % 40 – 50 Azot Isıl Değeri: 1000 – 1300 kcal/Nm3